小型雕刻機(jī)研制-方案設(shè)計與控制設(shè)計說明書

小型雕刻機(jī)研制-方案設(shè)計與控制設(shè)計說明書,小型,雕刻,研制,方案設(shè)計,控制,節(jié)制,設(shè)計,說明書,仿單 編寫者：XX 日 期：20X年04月18日小型雕刻機(jī)研制小型雕刻機(jī)研制方案設(shè)計與控制設(shè)計方案設(shè)計與控制設(shè)計TD-XXXX主要任務(wù)及預(yù)期目標(biāo)I.完成開題報告一份II.完成外文科技資料翻譯1篇（10000個印刷符號以上）III.完成專業(yè)文獻(xiàn)綜述1篇（3000字以上）IV.設(shè)計小型雕刻機(jī)方案并完成控制設(shè)計V.與同組同學(xué)一起，完成樣機(jī)的制造VI.用樣機(jī)雕刻自行設(shè)計的圖形VII.分析樣機(jī)工作情況，對樣機(jī)做相關(guān)改進(jìn)VIII.完成設(shè)計論文（論文總字?jǐn)?shù)在15000字以上）完成的兩個設(shè)計方案方案一：工作臺移動式方案二：龍門移動式控制系統(tǒng)的搭建上位機(jī)上位機(jī)使用的是安裝有Mach3控制軟件的PC。其控制界面如左圖。Mach3控制界面控制系統(tǒng)的搭建下位機(jī)下位機(jī)使用的是東莞航宇自動化公司的HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板。各個端口的功能及接線如左圖。HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板完成的樣機(jī)Thank you!Thank you! XX XX(設(shè)計)中期檢查表 學(xué)生姓名 學(xué)號 學(xué)院 專業(yè) 指導(dǎo)教師 職稱 工作單位 南 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 小型雕刻機(jī)研制-方案設(shè)計與控制設(shè)計 畢業(yè)論文（設(shè)計）計劃進(jìn)度安排 第一階段：（接受任務(wù)起——11年12月31日止） （1）收集并熟悉資料，根據(jù)文獻(xiàn)綜述要求，撰寫文獻(xiàn)綜述； （2）查找外文資料，完成外文翻譯初稿。 第二階段：（12年1月1日起——12年3月4日止） （1）收集并熟悉資料，完成開題報告，交指導(dǎo)教師審閱并開題； （2）完成外文翻譯修改稿、文獻(xiàn)綜述修改稿，交指導(dǎo)教師審閱。 第三階段：（12年3月5日起——12年5月5日止） （1）完成小型雕刻機(jī)方案設(shè)計與控制設(shè)計，交指導(dǎo)教師審核； （2）團(tuán)隊合作，與同組同學(xué)一起，完成樣機(jī)的研制; （3）完成畢業(yè)設(shè)計中期檢查相關(guān)工作； （4）繪制圖形，用該樣機(jī)完成所繪圖形的雕刻工作; 對樣機(jī)進(jìn)行修改或改裝; （5）完成設(shè)計論文初稿，交指導(dǎo)教師審閱。 第四階段：（12年5月5日起——12年5月20日止） （1）完成設(shè)計論文的修改稿，交指導(dǎo)教師審核； （2）做好畢業(yè)答辯的各項準(zhǔn)備工作。 已完成情況、存在的主要問題及擬解決措施 已完成的任務(wù)： a) 開題報告 b) 外文翻譯 c) 文獻(xiàn)綜述 d) 樣機(jī)制造 e) 樣機(jī)調(diào)試 f) 資料收集 主要問題：樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性未達(dá)到要求。 解決措施：分析各個環(huán)節(jié)，查找原因。 評語：（包括進(jìn)度、質(zhì)量、出勤、紀(jì)律等） 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 備注： 教務(wù)處制表 XX（設(shè)計）任務(wù)書 （由指導(dǎo)教師填寫） 課題題目 小型雕刻機(jī)研制-方案設(shè)計與控制設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué)號 系部、專業(yè) 發(fā)出任務(wù)書日期 20XX年12月5日 完成期限 20XX年5月20日 主要研究 內(nèi)容 本課題擬研制一臺小型雕刻機(jī)，實現(xiàn)X、Y、Z方向上的移動和主軸撓C軸的轉(zhuǎn)動。 設(shè)計多個雕刻機(jī)方案，對每個方案進(jìn)行比較分析，選出最優(yōu)的方案；完成小型雕刻機(jī)控制設(shè)計。 與同組同學(xué)一起，完成樣機(jī)的研制，并繪制圖形，用該樣機(jī)完成所繪圖形的雕刻工作。并結(jié)合該樣機(jī)工作情況，對樣機(jī)進(jìn)行修改或改裝等工作。 主要任務(wù) 及目標(biāo) 1設(shè)計小型雕刻機(jī)方案并完成控制設(shè)計；與同組同學(xué)一起，完成樣機(jī)的研制；繪制圖形，用該樣機(jī)完成所繪圖形的雕刻工作，并結(jié)合該樣機(jī)工作情況，對樣機(jī)進(jìn)行修改或改裝等工作。 2完成設(shè)計論文（論文總字?jǐn)?shù)在15000字以上）；設(shè)計圖總量不少于4張零號圖（折合）。 3完成教務(wù)規(guī)定的專業(yè)文獻(xiàn)綜述1篇（3000字以上）；開題報告一份；外文科技資料翻譯1篇（10000個印刷符號以上）。 研究方法 1、針對課題要求收集資料，熟悉研究內(nèi)容； 2、按照課題要求，完成相應(yīng)設(shè)計與分析；團(tuán)隊合作，與同組同學(xué)一起，完成樣機(jī)的研制； 3、按照設(shè)計進(jìn)程進(jìn)行工作，同時保持與指導(dǎo)教師的聯(lián)系，有問題及時解決。 研究進(jìn)度 安排 第一階段：（接受任務(wù)起——11年12月31日止） （1）收集并熟悉資料，根據(jù)文獻(xiàn)綜述要求，撰寫文獻(xiàn)綜述； （2）查找外文資料，完成外文翻譯初稿。 第二階段：（12年1月1日起——12年3月4日止） （1）收集并熟悉資料，完成開題報告，交指導(dǎo)教師審閱并開題； （2）完成外文翻譯修改稿、文獻(xiàn)綜述修改稿，交指導(dǎo)教師審閱。 第三階段：（12年3月5日起——12年5月5日止） （1）完成小型雕刻機(jī)方案設(shè)計與控制設(shè)計，交指導(dǎo)教師審核； （2）團(tuán)隊合作，與同組同學(xué)一起，完成樣機(jī)的研制; （3）完成畢業(yè)設(shè)計中期檢查相關(guān)工作； （4）繪制圖形，用該樣機(jī)完成所繪圖形的雕刻工作; 對樣機(jī)進(jìn)行修改或改裝; （5）完成設(shè)計論文初稿，交指導(dǎo)教師審閱。 第四階段：（12年5月5日起——12年5月20日止） （1）完成設(shè)計論文的修改稿，交指導(dǎo)教師審核； （2）做好畢業(yè)答辯的各項準(zhǔn)備工作。 主要參考 文獻(xiàn) 1、網(wǎng)絡(luò)上相關(guān)文章與資料； 2、相關(guān)書籍 指導(dǎo)教師 簽名、日期 系主任簽名、日期 教務(wù)處制表 小型雕刻機(jī)DIY現(xiàn)狀綜述 作者：XX 指導(dǎo)老師：XX 摘要：簡單敘述了雕刻機(jī)的發(fā)展和分類。總結(jié)了小型雕刻機(jī)機(jī)械部分的總體結(jié)構(gòu)、傳動方式、導(dǎo)軌的現(xiàn)狀。以系統(tǒng)的分類方法，詳細(xì)地講述了目前常用的基于Windows、DOS、Linux系統(tǒng)的用于小型雕刻機(jī)的CNC軟件，并簡單敘述了不同軟件的優(yōu)缺點。簡單介紹了下位機(jī)的工作原理、DIY難點以及目前主要的一些開發(fā)商。最后分析了現(xiàn)在的幾個雕刻機(jī)DIY網(wǎng)站，包括他們的優(yōu)勢和劣勢。 關(guān)鍵詞：雕刻機(jī)、DIY、機(jī)械、CNC控制系統(tǒng) Summarization of Small?engraving machine?DIY Name：XX Teacher：XX Abstract：A brief description of the development and classification of the engraving machine.The status summary of the overall structure of the mechanical parts of the small engraving machine,transmission, rail. The classification of the system in detail about the advantages and disadvantages ofcurrently used for small engraving machine, CNC Software for Windows, DOS,Linux-based system, and a brief description of the different software.Brief bit machine works, theDIY difficulty some of the major developers.Finally, several engraving machine DIY website, including their advantages and disadvantages. Key words: engraving machine、DIY、Mechanical、CNC control system 前言 1938年世界上第一臺手動雕刻機(jī)在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出第一臺電動雕刻機(jī)。20世紀(jì)90年代，微電子技術(shù)大爆發(fā)，帶動了一大批高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，也助雕刻機(jī)完成了2Dà2.5Dà3D的變革[1]。經(jīng)過近80年的發(fā)展，目前雕刻機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。21世紀(jì)初期，小型雕刻機(jī)技術(shù)的普及，使得小型雕刻機(jī)成為DIY愛好者的另一個熱衷項目。 1 雕刻機(jī)的分類 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雕刻機(jī)的產(chǎn)品已非常豐富，種類繁多。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，我們可以把現(xiàn)有的雕刻機(jī)按如下方式分類。 按聯(lián)動軸數(shù)不同：兩軸、三軸、四軸、五軸、六軸雕刻機(jī)。三軸、四軸雕刻機(jī)最為常見也最為實用，性價比也最高；兩軸的雕刻機(jī)現(xiàn)在基本上沒有再使用和生產(chǎn)；五軸、六軸的雕刻機(jī)適應(yīng)性最強(qiáng)，但價格特別高，通常用于特殊加工行業(yè)，加工自由曲面類零部件[2]。 按加工材料不同分為木材、石材、黑色金屬、非黑色金屬、塑料、玻璃、陶瓷加工雕刻機(jī)[3]。加工的材料不同，需要的切削力大小不同、可能達(dá)到的最高切削速度也不一樣，將會對雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計有很大的影響。 按機(jī)械結(jié)構(gòu)不同分為串聯(lián)和并聯(lián)雕刻機(jī)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)又分為龍門移動式和工作臺移動式兩種。串聯(lián)結(jié)構(gòu)就是傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)。拿三軸的雕刻機(jī)舉例來說，Z軸的所有部件是跟著X軸的移動而移動的，Z軸在X方向上的位置是受X軸移動部件限制的。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種新型機(jī)構(gòu)，其顯著特點是一個機(jī)構(gòu)產(chǎn)生若干個分支后續(xù)機(jī)構(gòu)，或者若干個分支機(jī)構(gòu)匯合于一個后續(xù)機(jī)構(gòu)、各個機(jī)構(gòu)的誤差不會累積[4]。圖1為典型串聯(lián)機(jī)床和并聯(lián)機(jī)床的示意圖： (a)串聯(lián)機(jī)床 (b)并聯(lián)機(jī)床 圖1 串聯(lián)機(jī)床與并聯(lián)機(jī)床的區(qū)別 按加工范圍的大小分為大型雕刻機(jī)、普通雕刻機(jī)、小型雕刻機(jī)。大型雕刻機(jī)通常用于大件產(chǎn)品的制作；小型雕刻機(jī)往往只在家庭或個人使用，普通雕刻機(jī)則用于一般的產(chǎn)品加工。 按主軸不同分為電主軸和非電主軸式雕刻機(jī)。 按驅(qū)動電機(jī)不同分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和伺服電機(jī)驅(qū)動式雕刻機(jī)。 按傳動機(jī)構(gòu)的不同分為滾珠絲杠傳動和梯形絲桿傳動式雕刻機(jī)。 2 小型雕刻機(jī)DIY機(jī)械部分現(xiàn)狀 關(guān)于小型雕刻機(jī)的機(jī)械部分，其總體結(jié)構(gòu)目前主要有兩種形式。一種是工作臺移動式，即加工過程中，工件和刀具同時移動，完成零部件的切削。此種結(jié)構(gòu)主要在早期的時候使用，現(xiàn)在用這一結(jié)構(gòu)的很少。另一種是龍門移動式，加工過程中僅靠刀具運(yùn)動就完成零部件的切削。例如羅奇亮和馬保吉在《基于Mach3軟件的經(jīng)濟(jì)型機(jī)械式雕刻機(jī)開發(fā)》中研究的結(jié)構(gòu)就為龍門移動式[5]。龍門移動式是現(xiàn)在的主流設(shè)計，國內(nèi)幾家有名的小型雕刻機(jī)公司目前的產(chǎn)品均為龍門移動式，例如廣州鹿原、東莞航宇、景德鎮(zhèn)英菲賽、阿莫雕刻、雷珀科技公司都為這種結(jié)構(gòu)。 圖2 新型導(dǎo)軌 機(jī)械傳動目前有三種形式。第一種是普通絲杠傳動。成本低，有自鎖功能。例如阿莫雕刻的AMCNC-01[6]機(jī)型采用的就是這種方式。第二種是滾珠絲杠傳動。傳動精度高，阻力小。例如雷珀科技的6040Z+D[7]機(jī)型采用的就是這種方式。第三種是同步帶傳動。隨著同步帶的強(qiáng)度、精度的提升而出現(xiàn)的一種傳動方式。目前使用的較少。軸心自控的B200桌面機(jī)器人[8]為這種方式。 機(jī)械部分的導(dǎo)軌主要有2種形式。一種是采用直線軸承+圓柱導(dǎo)軌式。是目前小型雕刻機(jī)的主流導(dǎo)軌，大部分產(chǎn)品均采用這種形式。另一種是阿莫雕刻最近開發(fā)的一種新型高速、重負(fù)荷導(dǎo)軌[9]。巧妙地使用類深溝球軸承與圓柱導(dǎo)軌配合。未進(jìn)行市場推廣，用的較少。如圖2。 3 小型雕刻機(jī)DIY控制部分現(xiàn)狀 控制部分通常包括上位機(jī)和下位機(jī)。在這里，上位機(jī)就是PC機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等任務(wù)，如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控、直線圓弧的插補(bǔ)、脈沖和方向信號的產(chǎn)生、原點和限位信號的檢測。而下位機(jī)是指接口板，主要負(fù)責(zé)脈沖信號的接收、放大和輸出、開關(guān)信號的檢測及反饋[10]。目前可用于小型雕刻機(jī)控制的CNC系統(tǒng)很多，基本上是由正規(guī)公司編寫的。它們中有些本身就是開源免費(fèi)的，有些則是由網(wǎng)友破解的。我國有小部分愛好者嘗試編寫過CNC系統(tǒng)，也有一定的成果，但最終真正共享出來大家共同開發(fā)的目前還沒有。下面就國內(nèi)常用的，用于小型雕刻機(jī)DIY的CNC系統(tǒng)做綜合的敘述。 基于Windows系統(tǒng)的有Mach[11]、NCStudio[12]、KCam[13]、DeskCNC[14]、AVR-CNC[15]、USBCNC[16]軟件。其中Mach軟件最受歡迎，很多的下位機(jī)都基于這個系統(tǒng)開發(fā)。Mach最高支持六軸聯(lián)動，控制精度能達(dá)到0.01mm，擁有良好的控制性能及友好的人機(jī)界面。NCStudio是一個國產(chǎn)控制系統(tǒng)，由上海維宏電子科技有限公司設(shè)計，經(jīng)網(wǎng)友破解后也很受歡迎，是唯一的一個可用于DIY的國產(chǎn)控制軟件，很多的控制卡也基于這個軟件開發(fā)。KCAM是一個可以自由編輯打印機(jī)端口輸出的軟件，這對于開發(fā)下位機(jī)非常方便，當(dāng)自己開發(fā)下位機(jī)的時候往往用這個系統(tǒng)。DeskCNC有很強(qiáng)的兼容性，能工作在各種Windows系統(tǒng)下，基于９針的串口輸出。AVR-CNC基于ＡTMega8芯片設(shè)計的一個系統(tǒng)，具有構(gòu)建簡單、擴(kuò)展容易的優(yōu)勢；而且Mega8直接控制電機(jī)，因此有更好的實時性。USBCNC是因現(xiàn)在的電腦都配USB接口，取消打印機(jī)并口而專門開發(fā)的。目前破解、漢化并不完全，技術(shù)還不成熟，使用得較少。 基于DOS系統(tǒng)的有TurboCNC[17]、CStep[18]。由于DOS系統(tǒng)是單一任務(wù)的操作系統(tǒng)，每個軟件的運(yùn)行都是獨占CPU，因此有更高的實時性，在硬件跟不上的年代這點非常重要，對CNC系統(tǒng)的影響很大?，F(xiàn)在硬件的能力都很強(qiáng)，計算速度飛快，通常就忽略了這一點。TurboCNC的性能介于KCam和Mach之間，對硬件的要求低，最多支持８軸，完全免費(fèi)，不支持鼠標(biāo)操作，DOS界面一般，操作不方便。CStep軟件既可運(yùn)行于DOS，也可以在Windows下工作，在DOS下運(yùn)行比在Windows下運(yùn)行會更順暢，獲得更好的實時性。此軟件無需安裝，絕對綠色。不想用的時候只要把解壓出來的文件夾刪除即可，不會在其他地方殘留垃圾文件[7]。不過這個軟件從2004年以后就不再更新了。 基于Linux系統(tǒng)的有EMC2[19]。EMC（Enhanced Machine Controller，增強(qiáng)型機(jī)器控制器）是來源于NIST （National Institute of Standards and Technology，美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）90 年代早期開始的一個項目。其目的是提供一個有效的途徑來驗證用 PC 代替專用的 CNC控制器的可行性, 并最早在 Bridgeport 系列三軸機(jī)床上實現(xiàn)了其大部分控制功能。EMC充分發(fā)揮了 PC的硬實時特性和計算能力，在開放的 PC 上實現(xiàn)了封閉昂貴的專用 CNC 控制器的功能，對現(xiàn)代開放數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計有著重要的影響[8]。要在Linux系統(tǒng)上用好EMC還應(yīng)具備一定的Linux知識。國內(nèi)Linux的普及還不夠，所以使用EMC的人比較少。不過EMC在學(xué)術(shù)研究中很受歡迎，有很多相關(guān)的論文。 上位機(jī)是整個系統(tǒng)的大腦。下位機(jī)則是連接控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的橋梁，在整個系統(tǒng)中具有非常重要的作用。 相對于上位機(jī)只是破解、安裝一些CNC軟件來說，下位機(jī)的制作難度還是比較大的，需要具備一定的知識基礎(chǔ)。但下位機(jī)的原理比上位機(jī)簡單得多。其基本原理是接口板通過打印機(jī)并口接收上位機(jī)的信息，并把這些信息傳送給各個驅(qū)動器，驅(qū)動器再把這些信息放大，用于驅(qū)動電機(jī)。需要DIY的是接口板和驅(qū)動器，比較困難的是接口板，它需要你清楚知道打印機(jī)并口的每一個針腳的功能。對于一般的CNC軟件，這些信息是在軟件內(nèi)部保密的，獲取需要一定的技巧?？梢宰约涸O(shè)置各個針腳的功能的控制軟件很少，目前知道的只有KCam一個，很多下位機(jī)DIY均基于這個軟件。驅(qū)動器這一塊目前有很多的步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片，功能很強(qiáng)大，外圍電路也比較簡單，所以相對容易。下位機(jī)制作的另一個瓶頸在于PCB板的制作，包括電氣原理圖的繪制、PCB布線、蝕刻法制作PCB。目前接口板和驅(qū)動器的原理圖都有開源的，但真正能根據(jù)這些資料自己制作的還是很少，也就是因為被這個瓶頸卡住。 基于以上原因，目前下位機(jī)的制作還主要靠一些專業(yè)人士或公司制作。DIY愛好者直接購買他們的產(chǎn)品，調(diào)試使用即可。目前市場上的產(chǎn)品主要分為以下兩種，一種是接口板和驅(qū)動器是分開的，另一種則是兩者一體的。目前淘寶上賣下位機(jī)的商家很多，但品種不多，性能也大同小異。主要區(qū)別有以下幾點：控制軸數(shù)、驅(qū)動的最高細(xì)分、輸出的控制電流、與電腦主板是否隔離。目前做下位機(jī)比較專業(yè)、產(chǎn)品較全，性價比較高的有以下幾家：東莞航宇、江西英菲賽、極平驅(qū)動、寧波歌林、斯達(dá)普斯、深圳展翔、溫州通卡、珩源電子。 4 小型雕刻機(jī)DIY學(xué)術(shù)氛圍 國內(nèi)小型雕刻機(jī)的研究及發(fā)展主要靠幾個論壇。它們調(diào)動了DIY愛好者的興趣和激情的同時，給他們提供積極的幫助和指導(dǎo)，對小型雕刻機(jī)DIY行業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。目前比較活躍的論壇有以下幾家： 廣州鹿原電控器材廠論壇（www.luyuandk.com/bbs）：國內(nèi)最早做小型雕刻機(jī)的公司[9]。最早的小型雕刻機(jī)都是山寨鹿原的，鹿原在某種意義上來說算是中國小型雕刻機(jī)DIY行業(yè)的發(fā)源地。不過鹿原的商業(yè)模式更趨于傳統(tǒng)，其公司的DIY論壇也是后來才建立的。其中對于DIY真正有用的資料很少 。 阿莫雕刻（www.ourdev.cn）：靠“阿莫”的團(tuán)隊支撐，商業(yè)氣氛比較濃。這個論壇的優(yōu)勢在于阿莫團(tuán)隊設(shè)計的機(jī)子都為了賣，技術(shù)較完善，而其中很多的技術(shù)資料阿莫都敢于開源。認(rèn)真去看能學(xué)很多。 世紀(jì)模具論壇（www.21mould.net）：看站名就知道這個論壇的重點在于模具，其實這個論壇主要是關(guān)于雕刻機(jī)應(yīng)用方面的，例如雕刻程序的生成和編寫。雕刻機(jī)DIY是2007年才開的一個小版塊?？偟脕碇v這里DIY的氛圍不濃，但有很多有用的學(xué)習(xí)資料。 大海作坊（www.xyzdiy.com）：一個草根DIY社區(qū)，但卻是小型雕刻機(jī)DIY的天堂。里面有足夠的關(guān)于機(jī)械部分和控制部分的DIY資料。最新的基于USB接口的數(shù)控系統(tǒng)接口板的開發(fā)就開始于這里。 磁動力論壇（www.cdle.net）：目前國內(nèi)最大的雕刻機(jī)DIY論壇，有很豐富的DIY資料和良好的DIY氛圍。 5 結(jié)論 從雕刻機(jī)DIY現(xiàn)狀來看，雖有10多年的歷史，但這個行業(yè)還未有太大的發(fā)展。目前的DIY主要為“復(fù)制式”，大家不斷地重復(fù)DIY同一個東西?！把邪l(fā)式”的DIY很缺乏，是今后的發(fā)展方向。 參考文獻(xiàn)： [1]周偉安.基于DSP的小型雕刻機(jī)全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計[D].廣州.華南理工大學(xué)，2011:1-4 [2]李榮泳，陳勇志，孫振忠. 基于Mach3軟件的經(jīng)濟(jì)型五軸雕刻機(jī)開發(fā)[J].裝備制造技術(shù)，2011，1：77-85 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小型雕刻機(jī)DIY現(xiàn)狀綜述 指導(dǎo)教師意見(包括選題是否恰當(dāng)、文字表達(dá)水平、論文的難度和創(chuàng)新性、參考文獻(xiàn)質(zhì)量、格式是否規(guī)范等方面，請使用鋼筆書寫或打印)： 論文評定成績： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 ６ 編寫者：XX 日 期：20X年05月22日,小型雕刻機(jī)研制方案設(shè)計與控制設(shè)計,TD-XXXX,XX答辯,內(nèi)容簡介,,小型雕刻機(jī)的總體方案設(shè)計 雕刻機(jī)總體方案的評價 基于MAch3數(shù)控軟件和HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板的控制系統(tǒng)的集成 基于Mach3的接口板的設(shè)計與制作 基于L297和L298N集成芯片的步進(jìn)驅(qū)動器設(shè)計與制作 接口板與步進(jìn)驅(qū)動器的測試 與同組同學(xué)合作完成樣機(jī)的制造 樣機(jī)的測試與分析,采用設(shè)計機(jī)床的方法與步驟，根據(jù)預(yù)定的技術(shù)任務(wù)書的要求，首先完成雕刻機(jī)的運(yùn)動功能設(shè)計，并繪制運(yùn)動功能圖。,小型雕刻機(jī)運(yùn)動功能圖,雕刻機(jī)總體方案設(shè)計,,依據(jù)接地或支撐位置的不同，完成了運(yùn)動分配設(shè)計，得到四種方案,四種運(yùn)動分配方案,,簡單分析了四種運(yùn)動分配方案，擯棄了其中兩種不適合的方案，對兩外兩種進(jìn)一步做結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。,兩種結(jié)構(gòu)布局,,龍門移動式布局圖,工作臺移動式布局圖,由技術(shù)任務(wù)書的要求，根據(jù)各軸最大行程的限制，完成兩種結(jié)構(gòu)的概略形狀和尺寸設(shè)計。,兩種結(jié)構(gòu)布局的細(xì)化,,龍門移動式細(xì)化后模型,工作臺移動式細(xì)化后模型,主要對兩種細(xì)化后的方案做了簡單的有限元分析，分析了兩種結(jié)構(gòu)的變形特點。然后依據(jù)有限元分析的結(jié)果以及其他的一些因素，選出了進(jìn)一步研究的方案。,總體方案的評價,,龍門移動式變形云圖,工作臺移動式方案變形云圖,控制系統(tǒng)的集成上位機(jī),,上位機(jī)使用的是安裝有Mach3控制軟件的PC。其控制界面如左圖。,Mach3控制界面,控制系統(tǒng)的集成下位機(jī),,下位機(jī)使用的是東莞航宇自動化公司的HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板。各個端口的功能及接線如左圖。,HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板,控制系統(tǒng)的集成并口設(shè)置,,控制系統(tǒng)的集成電機(jī)控制引腳設(shè)置,,控制系統(tǒng)的集成電機(jī)使能引腳設(shè)置,,控制系統(tǒng)的集成電機(jī)調(diào)試,,控制系統(tǒng)的集成電機(jī)使能引腳設(shè)置,,控制系統(tǒng)的集成連線,,接口板設(shè)計與制作原理圖,,接口板設(shè)計與制作PCB圖,,接口板設(shè)計與制作實物圖,,步進(jìn)驅(qū)動器設(shè)計與制作原理圖,,驅(qū)動器原理圖仿真測試輸入脈沖,,利用Proteus的仿真功能，分別測試了L297工作在整步和半步模式時，L298N四個輸出引腳的脈沖。輸入脈沖如左圖所示。 通過簡單的分析，能夠發(fā)現(xiàn)原理圖的錯誤和不足之處。,整步模式L298N輸出脈沖,,半步模式L298N輸出脈沖,,接口板的測試,,步進(jìn)驅(qū)動器的測試,,樣機(jī)展示,,1-主軸控制電源 2-電腦機(jī)箱及控制柜 3-步進(jìn)電機(jī) 4-電主軸 5-工作臺 6-手動手輪 7-控制界面 圖4. 1 樣機(jī),樣機(jī)運(yùn)動功能測試,,在進(jìn)行加工測試前，先對雕刻機(jī)三軸的運(yùn)動功能做了簡單的測試。采用的方法是，在主軸電機(jī)座上綁定一支記號筆，繪制了左圖的軌跡。 左圖的軌跡有四種功能：大正方形測試X、Y軸的最大行程；大圓測試XY平面的順時針圓弧插補(bǔ)能力；小正方形測試XY平面的直線插補(bǔ)能力；小圓測試XY平面的逆時針圓弧插補(bǔ)能力。 測試結(jié)果表明這幾項功能良好。,樣機(jī)加工測試運(yùn)動軌跡,,首先嘗試加工了運(yùn)動測試用的軌跡。把軌跡縮小到6060。加工參數(shù)如下： 主軸轉(zhuǎn)速：5000r/min X、Y軸進(jìn)給速度：600mm/min 切削深度：0.2mm 加工材料：雙色板,樣機(jī)加工測試成品展示,,樣機(jī)加工測試亞克力板,,內(nèi)容簡介,,小型雕刻機(jī)的總體方案設(shè)計 雕刻機(jī)總體方案的評價 基于MAch3數(shù)控軟件和HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板的控制系統(tǒng)的集成 基于Mach3的接口板的設(shè)計與制作 基于L297和L298N集成芯片的步進(jìn)驅(qū)動器設(shè)計與制作 接口板與步進(jìn)驅(qū)動器的測試 與同組同學(xué)合作完成樣機(jī)的制造 樣機(jī)的測試與分析,Thank you!, 小型雕刻機(jī)研制-方案設(shè)計與控制設(shè)計 摘要 本文主要包括兩個內(nèi)容。一是雕刻的總體方案的設(shè)計；二是雕刻機(jī)電氣控制設(shè)計。首先采用機(jī)床設(shè)計方法完成了總體方案的設(shè)計，包括運(yùn)動功能設(shè)計、運(yùn)動功能分配設(shè)計與分析、結(jié)構(gòu)布局設(shè)計以及結(jié)構(gòu)布局的細(xì)化。然后在Ansys Workbench平臺下分析了兩種方案的變形；依據(jù)有限元分析結(jié)果、加工與裝配的難易程度以及經(jīng)濟(jì)性等因素對細(xì)化的兩種方案做了簡要的分析比較。分析得出龍門移動式的方案比較適合，并把這一結(jié)果提供給同組其他同學(xué)，進(jìn)一步做結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計與計算?？刂圃O(shè)計模塊首先介紹了Mach3數(shù)控軟件和HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板以及它們的設(shè)置，然后介紹它們?nèi)绾渭刹Ⅱ?qū)動雕刻機(jī)機(jī)械本體運(yùn)動。接著介紹了運(yùn)用Proteus軟件設(shè)計、采用感光藍(lán)油方法制作的接口板和基于L297與L298N的步進(jìn)驅(qū)動器。最后展示了接口板、步進(jìn)驅(qū)動器和雕刻機(jī)樣機(jī)的測試結(jié)果和簡要的分析。 關(guān)鍵詞：方案設(shè)計、控制設(shè)計、有限元分析、Mach3、HY-TB3DV-M、接口板、步進(jìn)驅(qū)動器、Proteus、L297、L298N、Ansys Workbench The Development of small Engraving Machine ——Design and Control Design Abstract This paper includes two main parts, overall design planning of engraving and the electric control design of engraving machine. First, it completes the design of overall planning by introducing machine tool design, involving motor function design, motor function allocation design, structural design and structural and layout details. Then, based on the platform of Ansys Workbench, two modified plans being analyzed. Also, with consideration of the result of finite elements analysis, difficulties level of processing and assembling and economical factors, a briefly comparison within two refinement plans could be explored. According to the analysis, it is found that Gantry style is appropriate for implementing the plan. Therefore, the author offers the result to team members for a further calculation and detailed refinement. The control of design module explains Mach3 numerical control software, HY-TB3DV-M three axis driving board and methods of installation finally, following by illustration of how to be assembled and drive engraving machine to function. Keywords：Design、Control Design、Finite Element Analysis、Mach3、HY-TB3DV-M、The Interface Board、Stepper drives、Proteus、L297、L298N、Ansys Workbench  目錄 目錄 III 摘要 I Abstract II 1. 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 課題意義 1 1.3 研究目標(biāo) 1 2. 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計與分析 2 2.1 運(yùn)動功能設(shè)計 2 2.2 運(yùn)動功能的分配 3 2.3 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計 4 2.4 總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計 4 2.4.1 總體布局方案的細(xì)化 4 2.4.2 總體結(jié)構(gòu)的有限元分析 6 有限元分析技術(shù)簡介 6 Ansys Workbench有限元分析平臺簡介 6 Ansys Workbench與其他CAD軟件的接口技術(shù) 7 兩種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析 8 2.4.3 總體結(jié)構(gòu)概略方案綜合評價 12 3. 控制系統(tǒng)設(shè)計 13 3.1 基于HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板的控制系統(tǒng)集成 13 3.1.1 HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板介紹 14 信息接收模塊 15 步進(jìn)驅(qū)動模塊 15 3.1.2 Mach數(shù)控軟件介紹 18 3.1.3 HY-TB3DV-M驅(qū)動板與Mach3軟件的通訊 19 3.2 步進(jìn)電機(jī)調(diào)試 22 3.3 接口板的設(shè)計與制作 24 3.3.1 Proteus簡介 24 3.3.2 原理圖與PCB的設(shè)計及接口板制作 25 接口板原理圖設(shè)計 25 PCB圖的生成 27 接口板的制作 28 3.4 基于L297+L298N芯片的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計與制作 30 3.4.1 L298N介紹[] 30 3.4.2 L297介紹[] 31 3.4.3 步進(jìn)驅(qū)動電路原理圖設(shè)計 33 3.4.4 步進(jìn)驅(qū)動電路仿真測試 35 3.4.5 步進(jìn)驅(qū)動器的制作 36 3.5 接口板和步進(jìn)驅(qū)動器測試 39 3.5.1 接口板測試 39 3.5.2 步進(jìn)驅(qū)動器的測試 41 4. 樣機(jī)實驗與分析 42 4.1 樣機(jī)展示 42 4.2 樣機(jī)運(yùn)動測試 42 4.3 樣機(jī)加工測試 44 致謝 46 參考文獻(xiàn) 47 IV 1. 緒論 1.1 課題背景 1938年世界上第一臺手動雕刻機(jī)在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出第一臺電動雕刻機(jī)。20世紀(jì)90年代，微電子技術(shù)大爆發(fā)，帶動了一大批高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，也助雕刻機(jī)完成了2Dà2.5Dà3D的變革[[]周偉安.基于DSP的小型雕刻機(jī)全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計[D].廣州.華南理工大學(xué)，2011：1-4. ]。經(jīng)過近80年的發(fā)展，目前雕刻機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。21世紀(jì)初期，小型雕刻機(jī)技術(shù)的普及，使得小型雕刻機(jī)成為DIY愛好者的另一個熱衷項目。 經(jīng)過10多年的發(fā)展，我國小型雕刻機(jī)DIY雖已形成一定的規(guī)模，算得上一個小行業(yè)，但DIY的模式大多還為“復(fù)制式”。大伙不斷地重復(fù)DIY同一個方案。 高校學(xué)生有較好的專業(yè)基礎(chǔ)和研發(fā)條件，是最有可能引導(dǎo)小型雕刻機(jī)DIY行業(yè)往“研發(fā)式”發(fā)展的群體之一，但目前小型雕刻機(jī)DIY在高校中還未有太多的推廣。 1.2 課題意義 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品在我們生活中占的比例越來越高，機(jī)電一體化技術(shù)對于我們的生產(chǎn)和制造發(fā)揮著越來越重要的作用。小型雕刻機(jī)屬于典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它的設(shè)計和制造包含著豐富的機(jī)電一體化技術(shù)?？芍^麻雀雖小，五臟俱全。數(shù)控雕刻機(jī)從上世紀(jì)70年代[[]王志英.電子雕刻技術(shù)未來發(fā)展趨勢[J].印刷技術(shù)，1999，12：29-30. ]出現(xiàn)以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展、改進(jìn)，不管是在硬件還是在軟件上都已經(jīng)發(fā)展到一定的高度。雕刻機(jī)技術(shù)不斷成熟的同時也在不斷地普及，尤其是小型雕刻機(jī)。 作為一名本科生，研制小型雕刻機(jī)最直接的目的在于實踐機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造、機(jī)電一體化技術(shù)等專業(yè)理論知識。其重大意義在于為下一步研制難度更高的機(jī)電一體化產(chǎn)品奠定厚實的基礎(chǔ)。 就小型雕刻機(jī)的整個研制過程，從設(shè)計、制造、調(diào)試到總結(jié)，每一個環(huán)節(jié)都是對大學(xué)四年來所學(xué)知識的鞏固和應(yīng)用。通過這個項目的鍛煉，個人的能力能得到很大的提高。從培養(yǎng)人才、檢驗畢業(yè)生的角度，這一課題是非常有意義的。 此外目前小型雕刻機(jī)DIY在高校中缺乏推廣。以該課題作為試驗項目，期望小型雕刻機(jī)DIY能在高校得到更多的關(guān)注。從而逐步引導(dǎo)小型雕刻機(jī)DIY行業(yè)往“研發(fā)式”方向發(fā)展。 1.3 研究目標(biāo) 總體目標(biāo)為完成小型雕刻機(jī)的方案設(shè)計和控制設(shè)計。結(jié)合同組同學(xué)的設(shè)計計算資料，與同學(xué)一起完成樣機(jī)的制造和裝配。繪制圖形并編寫G代碼，用樣機(jī)完成圖形的加工。 為了便于研究，在開始研制小型雕刻機(jī)之前，我們對將要研制的小型雕刻機(jī)提出必要的幾點要求，即技術(shù)設(shè)計任務(wù)書。包括聯(lián)動軸數(shù)、可加工材料的范圍、可加工工件的最大尺寸、各軸最大的移動速度、重復(fù)定位精度及可達(dá)到的最高加工精度幾個方面。 a) 聯(lián)動軸數(shù)：三軸 b) 可加工的材料：HBS<=70N/mm2 c) 各軸最大行程：X—200mm；Y—200mm；Z—40mm。 d) 最高工作精度：0.1mm。 e) 重復(fù)定位精度：0.01mm。 f) 加工效率：X、Y軸最大運(yùn)動速度—1000mm/min；Z軸最大運(yùn)動速度—500mm/min； 最大切削深度：3mm。 2. 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計與分析 小型雕刻機(jī)為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其基本工作原理與一般的數(shù)控銑床類似，因此可參考機(jī)床技術(shù)設(shè)計步驟進(jìn)行設(shè)計。 圖2.1.1機(jī)床技術(shù)設(shè)計步驟 機(jī)床技術(shù)設(shè)計步驟[[]馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009:57-59. ]如圖2.1.1所示。因本文設(shè)計研究的小型雕刻機(jī)不投入生產(chǎn)，只用于學(xué)習(xí)和研究，所以技術(shù)設(shè)計任務(wù)書和確定結(jié)構(gòu)原理方案這兩個步驟做得很簡單。在第一章中已經(jīng)完成。 在機(jī)床的整個設(shè)計流程中，本文只具體研究“機(jī)床總體設(shè)計”和“機(jī)床整機(jī)綜合評價”。其他的幾項內(nèi)容將由同組的其他同學(xué)完成。 2.1 運(yùn)動功能設(shè)計 運(yùn)動功能設(shè)計是指確定機(jī)床所需運(yùn)動的個數(shù)、形式（直線運(yùn)動、回轉(zhuǎn)運(yùn)動）、功能（主運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動、其他運(yùn)動）及排列順序。用運(yùn)動功能式表示，并繪制機(jī)床的運(yùn)動功能圖。 運(yùn)動功能式是描述機(jī)床運(yùn)動的一種方法。用簡單的字母組合成運(yùn)動式來表示機(jī)床的運(yùn)動個數(shù)、形式、功能及排列順序。左邊寫工件，用W表示；右邊寫刀具，用T表示；中間寫運(yùn)動，主運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動、其他運(yùn)動分別用下標(biāo)p、f、a表示；工件、運(yùn)動、刀具之間用符合“/”分開。 根據(jù)技術(shù)任務(wù)書的要求，該小型雕刻機(jī)總共需要四個運(yùn)動。包括X、Y、Z三個方向的直線運(yùn)動和主軸的轉(zhuǎn)動。其中三個直線運(yùn)動均為進(jìn)給運(yùn)動、主軸轉(zhuǎn)動為主運(yùn)動。因此其運(yùn)動功能式為：W/Xf，Yf，Zf，Cp/T。 依據(jù)運(yùn)動功能式，可繪制出小型雕刻機(jī)的運(yùn)動功能圖。如圖2.1.2所示。 圖2.1.2 小型雕刻機(jī)運(yùn)動功能圖 2.2 運(yùn)動功能的分配 上一小節(jié)確定了雕刻機(jī)所需的運(yùn)動功能。本節(jié)將以上節(jié)的運(yùn)動功能圖為母版，根據(jù)基礎(chǔ)支撐件的不同進(jìn)行運(yùn)動功能分配設(shè)計。運(yùn)動功能分配設(shè)計將確定運(yùn)動功能式中“接地”的位置，用符號“·”表示?！啊ぁ弊髠?cè)的運(yùn)動由工件完成，“·”右側(cè)的運(yùn)動由刀具完成。運(yùn)動功能式中添加上接地符號“·”后，稱之為運(yùn)動分配式。上一節(jié)確定的運(yùn)動功能式，根據(jù)接地的不同，將由如下幾種運(yùn)動分配式。不同的運(yùn)動分配式有不同的方案圖。 a) W/·Xf，Yf，Zf，Cp/T；方案如圖2.2. 1，進(jìn)給運(yùn)動完全由刀具完成。 b) W/Xf·Yf，Zf，Cp/T；方案如圖2.2. 2，X向進(jìn)給運(yùn)動由工件完成，Y、Z向進(jìn)給動由刀具完成。 c) W/Xf，Yf，Zf·Cp/T；方案如圖2.2. 3，進(jìn)給運(yùn)動完全由工件完成。 d) W/Xf，Yf·Zf，Cp/T；方案如圖2.2. 4，X、Y進(jìn)給運(yùn)動由工件完成，Z向進(jìn)給運(yùn)動由刀具完成。 圖2.2. 1 A方案 圖2.2. 2 B方案 圖2.2. 3 C方案 圖2.2. 4 D方案 2.3 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計 初步選定結(jié)構(gòu)布局形式采用立式，基礎(chǔ)支撐件的形式采用龍門式，基礎(chǔ)支撐件的結(jié)構(gòu)采用分離式。 由于雕刻機(jī)較小，雖然用于加工小東西，但為了保證整個機(jī)器的穩(wěn)定性，基礎(chǔ)支撐件需做得厚實。上一節(jié)中圖2.2. 3 C方案和圖2.2. 4 D方案主要的進(jìn)給運(yùn)動都由工件完成，工件的運(yùn)動需要靠基礎(chǔ)支撐件和工作臺的運(yùn)動來完成。把很多的傳動機(jī)構(gòu)疊加在基礎(chǔ)支撐件上會使結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，加之基礎(chǔ)支撐件厚重，傳動困難，需要較大的驅(qū)動力。先排除這兩個方案。 圖2.3. 1 龍門移動式布局圖 圖2.3. 2 工作臺移動式布局圖 根據(jù)A方案和B方案的運(yùn)動功能分配方案圖設(shè)計他們各自的結(jié)構(gòu)布局形態(tài)。A方案的布局圖如圖2.3. 1所示；B方案的布局圖如圖2.3. 2所示。 2.4 總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計 圖2.4. 1 電主軸 該階段主要任務(wù)是功能部件的概略形狀和尺寸設(shè)計。其實就是要完善布局圖中的細(xì)節(jié)。為進(jìn)一步做結(jié)構(gòu)設(shè)計做準(zhǔn)備。這里要確定的都是“大概”的尺寸，起示意作用。具體的參數(shù)將在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中獲得和完善。 2.4.1 總體布局方案的細(xì)化 具體的設(shè)計步驟如下： 1) 根據(jù)主軸需要的功率確定了主軸的形式為電主軸，接著根據(jù)功率大小初步圈定了電主軸的范圍，初步繪制電主軸的三維模型（如圖2.4. 1）。 2) 由電主軸的幾何參數(shù)確定了主軸電機(jī)座的概略尺寸，初步設(shè)計三維模型。主軸電機(jī)座通過滑動軸承與導(dǎo)軌連接，初步選定導(dǎo)軌后即可確定電機(jī)座上的連接孔的尺寸。最終的三維模型如圖2.4. 2。 圖2.4. 2 電機(jī)座 3) 上一步中已經(jīng)初選了導(dǎo)軌的直徑，依據(jù)Z軸的最大行程即可確定導(dǎo)軌的長度。其三維模型如圖2.4. 3。 圖2.4. 3 導(dǎo)軌 4) 導(dǎo)軌通過螺栓固定在Z軸上下兩塊板上。由電機(jī)座上的孔距可確定兩塊板上的安裝尺寸。上下板還需通過螺栓與X軸滑塊固定，其安裝尺寸概略選取。此時設(shè)計出來的上下板一模一樣，三維模型如圖2.4. 4。 圖2.4. 4 Z軸上下板 5) X滑塊與Z軸上下板的安裝尺寸已確定。X滑塊也通過滑動軸承與導(dǎo)軌連接。因都是初選，參數(shù)與Z軸導(dǎo)軌一至。設(shè)計好的三維模型如圖2.4. 5。 6) X導(dǎo)軌的長度由X向的最大行程決定。 圖2.4. 5 X滑塊 7) X導(dǎo)軌與左右立柱通過螺栓連接。從而確定立柱上導(dǎo)軌的安裝尺寸。立柱通過螺栓與Y滑塊連接，安裝尺寸概略選取。左右立柱一模一樣，三維模型如圖2.4. 6。 8) Y滑塊的設(shè)計與X滑塊一樣。其三維模型如圖2.4. 7。 9) Y軸導(dǎo)軌與X、Z導(dǎo)軌的設(shè)計方法完全一樣，這里不再敘述。 10) 底座前板、后板與Y軸導(dǎo)軌連接；前板、后板均與底板和工作臺連接，安裝尺寸圈定后，其三維模型如圖2.4. 8。 圖2.4. 6 左右立柱 11) 底板與前板、后板連接的尺寸已確定；底板上安裝橡膠腳墊的尺寸概略確定。底板三維模型如圖2.4. 9。 12) 工作臺安裝在前板、后板上。其上還需要有便于安裝工件的結(jié)構(gòu)。初步設(shè)計后的工作臺模型如圖2.4. 10。 至此每個功能部件的概略形狀和尺寸設(shè)計完畢。其最終的整體模型如圖2.4. 11。 圖2.4. 7 Y滑塊 工作臺移動式總體布局方案的細(xì)化方法完全相同。不再贅述，僅展示最后的細(xì)化結(jié)果。如圖2.4. 12。 圖2.4. 8 前后板 圖2.4. 9 底板 圖2.4. 10 工作臺 圖2.4. 11 龍門移動式細(xì)化后模型 圖2.4. 12 工作臺移動式細(xì)化后模型 圖2.4. 13 2.4.2 總體結(jié)構(gòu)的有限元分析 本節(jié)首先簡單介紹了有限元分析技術(shù)、基于Ansys Workbench平臺的有限元分析方法及Ansys Workbench與其他CAD軟件的接口技術(shù)。然后針對上節(jié)中細(xì)化后的兩個方案、運(yùn)用Ansys做整體結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度分析和一階模態(tài)分析。為下一節(jié)整體方案評價做準(zhǔn)備。 有限元分析技術(shù)簡介 有限元分析技術(shù)是應(yīng)用有限元方法分析計算工程問題的一門技術(shù)。其鼻祖是矩陣力學(xué)分析方法。最初應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析中，目前在工程分析中廣泛應(yīng)用。有限元分析的基本思想是把任意復(fù)雜的結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)量的單元模型，然后采用矩陣力學(xué)分析原理進(jìn)行計算。這樣的一個思想就很方便地應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)。 據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，我國機(jī)械制造業(yè)中，有70%以上的新產(chǎn)品的開發(fā)用到了有限元方法，90%的論文采用有限元方法作為分析工具。有限元分析技術(shù)在工程分析中實際充當(dāng)了數(shù)值化虛擬實驗的角色。 在本文的分析中，有限元技術(shù)為方案的評價提供了有效的虛擬實驗，并獲得必要的虛擬實驗數(shù)據(jù)，為方案評價提供了重要的依據(jù)。 Ansys Workbench有限元分析平臺簡介 Ansys是國際著名的大型通用有限元分析軟件，在工程分析領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Ansys Workbench是Ansys公司推出的下一代工程仿真技術(shù)集成平臺。相比于Ansys Classic來說，Ansys Workbench有了很大的改進(jìn)。采用全新的項目視圖功能，在一個類似流程圖的圖表中，仿真項目中的各項任務(wù)以互相連接的圖形化方式清晰表達(dá)出來，可以非常容易地理解項目的工程意圖、數(shù)據(jù)關(guān)系、分析工程的狀態(tài)等[[]凌桂龍.丁金濱.溫正.Ansys Workbench 13.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012. ]。具有智能化程度高、操作簡單、數(shù)據(jù)交換簡便等特點。其很強(qiáng)大的是提高了接觸設(shè)置的智能程度，從而使組件分析變得簡單。在本文的分析應(yīng)用中這一點優(yōu)勢很明顯。Ansys Workbench的主界面如圖2.4. 14所示。 圖2.4. 14 Ansys Workbench主界面 Ansys Workbench與其他CAD軟件的接口技術(shù) Workbench定位為“工程仿真技術(shù)集成平臺”，大大提高了對其他CAD三維建模軟件的兼容性。這為分析一些較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提供了很大的便利。使工程師在Workbench中把主要問題集中在模型的分析上，而不是模型的簡歷上。另外Workbench平臺的DesignXplorer為Ansys的參數(shù)化建模模塊，有很強(qiáng)大的建模功能，很方便就能對模型完成修改。 安裝好Ansys Workbench后，軟件將會自動與其他CAD軟件完成集成工作。使得在其他CAD軟件中能直接啟動Ansys Workbench并導(dǎo)入其中的三維模型。PRO/E、Solidworks軟件集成Workbench后的界面分別如圖2.4. 15和圖2.4. 16。 圖2.4. 15 集成了Workbench后的PRO/E界面 圖2.4. 16 集成了Workbench后的Solidworks界面 兩種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析 靜態(tài)特性分析主要用于求解結(jié)構(gòu)僅受固定不變載荷作用時的變形。在此是為了簡單比較兩種雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性，為方案評價提供參考。 因所有的結(jié)構(gòu)、工作等參數(shù)都未確定，分析的目的只是為了做一個簡單的比較，所以只分析一種相對極限的狀態(tài)。給結(jié)構(gòu)施加比實際工作稍大的力，盡可能事部件處在最惡劣的位置。 三維模型的導(dǎo)入 圖2.4. 17 由Solidworks導(dǎo)入的三維模型 Workbench與Solidworks有非常好的接口，直接從Solidworks中啟動并導(dǎo)入創(chuàng)建好的三維模型。結(jié)果如圖2.4. 17所示。左邊紅色框中顯示了導(dǎo)入的所有零件的名稱。 材料的設(shè)置 預(yù)設(shè)計導(dǎo)軌、滑動軸承、內(nèi)六角螺栓使用鋼，其余所有零件使用6061鋁合金。返回主界面，進(jìn)入“Engineering Data”中定義材料屬性。系統(tǒng)材料庫自帶“Structural Steel”，需要新建一個6061鋁合金材料。兩種材料的屬性值如表所示。 表2- 1 材料屬性 Destiny Young`s Modulus Poisson`s Ratio Structural Steel 7850kg/m2 2×1011Pa 0.3 6061鋁合金 2700 kg/m2 6.9×1010Pa 0.33 設(shè)置好材料后，進(jìn)入Mechanical模塊就可以把剛剛設(shè)置的材料分配給不同的零件。 接觸設(shè)置 因分析的是一個組件，在Mechanical模塊完成材料分配后，需要對接觸面進(jìn)行設(shè)置。所有的接觸面均采用“Bonded”，使相互接觸的兩個零件完全綁定在一起，不能相對移動；所有的接觸面均采用“MPC法（多點接觸法）”求解。其余使用默認(rèn)設(shè)置。設(shè)置好后的接觸設(shè)置界面如圖2.4. 18。 圖2.4. 18 接觸設(shè)置界面 網(wǎng)格劃分 圖2.4. 19 網(wǎng)格劃分設(shè)置與結(jié)果 對Z軸方向的組件、各個導(dǎo)軌和直線軸承、左右立柱的弧形處做了加密處理；主軸電機(jī)座的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm；底部八個支撐螺栓的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm。其余采用默認(rèn)設(shè)置劃分。劃分結(jié)果與默認(rèn)設(shè)置如圖2.4. 19所示。 網(wǎng)格的劃分質(zhì)量對計算結(jié)果有很重要的影響。Ansys Workbench自帶網(wǎng)格分析功能。Skewnees（扭曲度）是最基本的網(wǎng)格質(zhì)量檢查項?？山y(tǒng)計出節(jié)點數(shù)、單元數(shù)、扭曲度區(qū)間、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)方差，最終能把這些數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量直方圖的形式展示。其值位于0到1之間，0最好、1最差。分析結(jié)果如圖2.4. 20所示。結(jié)果表明一共有三種網(wǎng)格類型。大部分網(wǎng)格質(zhì)量的系數(shù)處在0.25左右；小部分為1，處于極差區(qū)。整體網(wǎng)格質(zhì)量中等，考慮到電腦硬件的限制，不再進(jìn)行優(yōu)化。 圖2.4. 20 Skewness分析直方圖 載荷與約束的施加 分析結(jié)構(gòu)的受力特點。雕刻機(jī)的刀具會受到X、Y、Z方向的作用力，而工作臺將受三個相對應(yīng)的反作用力。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，大概確定這三個力的大小為100N。在八個螺栓的底面添加固定約束。載荷與約束的添加請參考圖2.4. 21。紅色面表示施加力的面，紅色箭頭表示力的方向，箭頭尾部的標(biāo)簽與圖片左側(cè)的標(biāo)簽相對應(yīng)。 分析結(jié)果展示與說明 圖2.4. 21 載荷與約束的施加 因只是做簡單的分析，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還沒有設(shè)計和處理，所以不分析應(yīng)力集中和應(yīng)變，只分析整體變形。最終的分析結(jié)果如圖2.4. 23所示，圖中的變形經(jīng)過450倍放大處理。結(jié)果表明底部支架變形很小，幾乎不變形。主要的變形區(qū)在主軸電機(jī)座的最外端。最大變形為0.083844mm，變形能滿足精度要求。另外考慮實際受力時，受力點不會那么靠近端部，受力也會更均勻一些，因此實際變形會更小一些。 圖2.4. 22 從正面和側(cè)面觀察變形圖 圖2.4. 23 龍門移動式變形云圖 圖2.4. 22為從側(cè)面和正面觀察的變形圖。能更清楚的觀察變形的情況。 工作臺移動式的方案分析方法、過程與龍門移動式的完全一致。條件也完全一樣。因此只展示其最后的分析結(jié)果。如圖2.4. 24和所示 圖2.4. 24 工作臺移動式方案變形云圖 圖2.4. 25 從正面和側(cè)面觀察變形圖 2.4.3 總體結(jié)構(gòu)概略方案綜合評價 以上工作完成了小型雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)概略設(shè)計與變形分析。在進(jìn)一步做詳細(xì)計算分析之前，先對兩個概略方案做簡單的綜合評價。 分析結(jié)果表明兩種方案的最大變形都不超過0.1，龍門移動式變形稍微小一點。另外龍門移動式工作臺的剛性要好很多，最大變形量只有0.0038562mm，而且呈對稱分布。 結(jié)構(gòu)的變形對于加工精度有很大的影響，但對于整個機(jī)器來說，換需要考慮很多其他的因素。下面以表格的形式簡單分析比較這兩個方案的各個因素。詳細(xì)內(nèi)容見表2- 2。 表2- 2 方案綜合評價表 考慮因素 龍門移動式 工作臺移動式 剛度 強(qiáng) 強(qiáng) 精度 中 中 零部件加工難易程度 中 易 零部件的經(jīng)濟(jì)性 中 好 裝配難易程度 中 難 可維護(hù)性 好 中 所需工作空間 小 大 制造周期 5天 8天 綜合以上簡要的分析。兩種方案的剛度和精度差不多；龍門移動式方案的零部件加工難度和經(jīng)濟(jì)性較差，裝配難易程度和可維護(hù)性較好。考慮零部件主要發(fā)外加工而且為單件生產(chǎn)；而裝配需要自己完成，在測試過程中可能要經(jīng)常調(diào)整零部件。另外龍門移動式的工作臺要穩(wěn)定得多，工作空間也要比工作臺移動式方案小1/2。因此選擇龍門移動式方案進(jìn)一步研究和設(shè)計計算。 3. 控制系統(tǒng)設(shè)計 機(jī)床控制系統(tǒng)可分為時間控制、程序控制、數(shù)字控制、誤差補(bǔ)償控制和自適應(yīng)控制。數(shù)字控制系統(tǒng)即目前廣泛使用的數(shù)控系統(tǒng)。分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。本文只研究開環(huán)控制系統(tǒng)。首先作為系統(tǒng)研究的入門，研究了基于“Mach3+HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板”控制系統(tǒng)的搭建。對整個系統(tǒng)熟悉后，自己嘗試開發(fā)了基于Mach3和KCam數(shù)控軟件的接口板和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。 3.1 基于HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板的控制系統(tǒng)集成 HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板是東莞航宇公司的一個運(yùn)動控制產(chǎn)品，配合Mach3數(shù)控軟件使用。此節(jié)將詳細(xì)介紹HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板和Mach3軟件，及它們之間如何集成，組成一個完整的控制系統(tǒng)。 3.1.1 HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板介紹 首先看一下驅(qū)動板的圖片，對其有一個感性的認(rèn)識。如圖3.1. 1圖3.1. 1 HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板 。 在這個圖片上，從它的簡單說明中我們對驅(qū)動板的資源有一定的了解。后續(xù)的介紹內(nèi)容很大部分需要參考這個圖片，屆時將不再貼圖。 該驅(qū)動板有1個25針并口、1個15針串口、1個12針針座、1個5針針座、1個兩針接頭輸入資源；3個步進(jìn)電機(jī)接口、1個主軸接口輸出資源；3個TB6560AHQ芯片。各個接口中每個引腳功能的定義分列一下各表。 25針并口與電腦打印機(jī)并口連接，用于驅(qū)動板和Mach3軟件的通訊。其定義如表3- 1。 表3- 1 驅(qū)動板25針并口各引腳功能 PIN9 PIN14 PIN7 PIN1 PIN2 PIN3 PIN8 PIN6 PIN4 PIN5 PIN16 PIN17 主軸電機(jī) X 允許 X 方向 X 脈沖 Y 允許 Y 方向 Y 脈沖 Z 允許 Z 方向 Z 脈沖 輸出1 輸出2 15針串口與外部手控設(shè)備連接，用于手動控制雕刻機(jī)各軸的運(yùn)動。其定義如表3- 2。 表3- 2 15針串口各引腳定義（按圖片右上為P1左上P15） P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 X脈沖 X使能 主軸 X方向 Y使能 Z方向 Z脈沖 Z使能 Y限位 Z 限位 Y 方向 Y 脈沖 急停 GND 5V/VDD 5針針座與急停開關(guān)和限位開關(guān)連接。每個針腳與并口都有對應(yīng)關(guān)系。其定義如表3- 3。 表3- 3 5針針座各引腳定義（按圖片上為P1下為P5） 針腳號 P1 P2 P3 P4 P5 對應(yīng)并口 Pin10 Pin11 Pin12 Pin13 GND 功能 急停開關(guān) X軸限位 Y軸限位 Z軸限位 接地 輸出接口與步進(jìn)電機(jī)、主軸電機(jī)、電源連接。其各引腳功能定義如表3- 4。在驅(qū)動板上各個引腳有相關(guān)的標(biāo)記。 表3- 4 輸出接口各引腳定義（圖片上為1下為17） P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 正 地 XA+ XA- XB+ XB- YA+ YA- YB+ YB- ZA+ ZA- ZB+ ZB- V+ GND V- 以上是各個輸入輸出引腳的詳細(xì)功能說明。接下來我們詳細(xì)討論這塊驅(qū)動板的主要功能。大方向可以分為兩塊。一是信息接收模塊，接收電腦并口或外部輸入設(shè)備的信息；二是步進(jìn)驅(qū)動模塊，用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 信息接收模塊 圖3.1. 2 光電耦合器工作示意圖 信息接收模塊的原理很簡單。首先Mach3軟件把加工零部件的G代碼翻譯成二進(jìn)制的數(shù)字信號，然后把這些信號轉(zhuǎn)化為高、低電平，發(fā)送到電腦的25針并口。25針并口中的輸出針腳與光耦的V[in](如圖3.1. 2)端連接，與光耦的發(fā)光部分構(gòu)成一個開關(guān)電路。當(dāng)輸出高電平時V[in]為高電平，光耦接通，二極管發(fā)光，從而使V[cc]端的電路接通，外部電路工作。對于輸入信號工作原理類似。不過25針的輸入針腳與受光端電路連接，發(fā)光端電路與外部開關(guān)串聯(lián)，當(dāng)V[in]為高電平時，受光端電路工作，使25針并口的輸入端針腳為高電平或低電平。以上即Mach3軟件依靠并口通過光耦與外部電路通訊的簡單原理。 光耦的信號傳遞采取電—光—電形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，有很好的絕緣特性[[]朱思洪.機(jī)電一體化技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2011:80-81. ]。被耦合的兩個部分自成系統(tǒng)，驅(qū)動板的強(qiáng)電電路和計算機(jī)的弱電電路完全隔離，能可靠保護(hù)電腦的同時，還能有效避免強(qiáng)電對計算機(jī)的干擾。這是驅(qū)動板中應(yīng)用光耦的重要原因。 步進(jìn)驅(qū)動模塊 步進(jìn)驅(qū)動模塊稍微復(fù)雜一點，但其原理也不難。主要是TB6560AQH步進(jìn)驅(qū)動集成電路IC芯片的應(yīng)用。驅(qū)動板的性能很大程度上由TB6560AQH決定。因此有必要簡單介紹一下TB6560AQH芯片。 TB6560AQH是東芝公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片。其主要特點有： a) 采用雙極性PWM恒流斬波驅(qū)動。 b) 最高支持1/16細(xì)分。 c) 可設(shè)置4級電流衰減模式。 d) 可設(shè)置4級輸出電流比率。 e) 高耐壓輸出，最高可達(dá)40V。 f) 高電流輸出，最高可達(dá)3.5A(峰值)。 g) 輸入針腳內(nèi)置100kΩ的下拉電阻。 h) 配備輸出監(jiān)視器、復(fù)位、使能針腳。 i) 內(nèi)置過熱保護(hù)電路。 驅(qū)動板的驅(qū)動性能完全由以上特性決定。就使用這塊驅(qū)動板而言，沒有必要過于詳細(xì)地進(jìn)一步了解這個芯片各個引腳的功能及其內(nèi)部原理。下面就幾個比較重要的關(guān)于工作參數(shù)設(shè)置的引腳做一些說明。這些引腳與圖中撥碼開關(guān)的設(shè)置息息相關(guān)。對調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的工作性能也很重要。 M1、M2引腳：步進(jìn)脈沖細(xì)分設(shè)置 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)其本質(zhì)是一種電子阻尼技術(shù)，可以減弱或消除步進(jìn)電機(jī)低頻振動的弱點，提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。下面以步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)為例做一個直觀的說明。沒有細(xì)分控制的步進(jìn)驅(qū)動器發(fā)送一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過1.8°；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要200個脈沖。如果設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動器的細(xì)分為1/2，那么步進(jìn)驅(qū)動器發(fā)送一個脈沖，理論上步進(jìn)電機(jī)只轉(zhuǎn)動0.9°，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要400個脈沖。 M1、M2這兩個引腳分別有高電平和低電平兩種狀態(tài)。一共有四種組合，可設(shè)置四種細(xì)分模式，分別為1/2、1/4、1/8、1/16細(xì)分。其設(shè)置及所對應(yīng)的細(xì)分模式如表3- 5，其中“L”代表低電平，“H”代表高電平。 表3- 5 細(xì)分設(shè)置表 輸入 細(xì)分模式 M1 M2 L L 1/2 H L 1/4 L H 1/8 H H 1/16 Dcy1、Dcy2引腳：電流衰減速率設(shè)置 配合細(xì)分功能的一項設(shè)置。TB6560采用的是電流細(xì)分法，將相電流按正弦波相切得到的電流點作為細(xì)分點。在相電流達(dá)到細(xì)分點時就要控制電流進(jìn)行控制衰減，否則就會出現(xiàn)角度過沖，從而無法準(zhǔn)確地停留在細(xì)分角度上。選擇衰減模式的基本原則是高速時快衰減、低速時慢衰減。高速時慢衰減就會出現(xiàn)震動大、噪音高等問題。低速時選擇快衰減就會導(dǎo)致電機(jī)無力嚴(yán)重時會出現(xiàn)定位不準(zhǔn)。 這兩個引腳的設(shè)置方式與M1、M2完全相同。其設(shè)置及所對應(yīng)的衰減模式如表3- 6。 表3- 6 電流衰減 輸入 衰減模式 Dcy1 Dcy2 L L 快衰減 H L 25% L H 50% H H 慢衰減 TQ1、TQ2引腳：電流比率設(shè)置 芯片這兩個引腳的功能比較強(qiáng)大，可實現(xiàn)自動半流控制。但這塊驅(qū)動板并沒有開發(fā)出此功能，僅把這兩個引腳作為電流大小調(diào)節(jié)開關(guān)的輸入端。使用時可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)來選擇合適的芯片輸出電流。電流太小步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩小，電流太大步進(jìn)電機(jī)容易發(fā)燙。這兩個引腳是通過調(diào)節(jié)輸出電流的比率來實現(xiàn)電流大小控制的。其設(shè)置如表3- 7。 表3- 7 電流大小設(shè)置 輸入 電流比率 TQ1 TQ2 L L 100% H L 75% L H 50% H H 25% 圖3.1. 3 撥碼開關(guān)與設(shè)置 以上三個設(shè)置由一個6位撥碼開關(guān)來實現(xiàn)。為了在使用過程中更方便的設(shè)置，現(xiàn)把撥碼開關(guān)與設(shè)置的對應(yīng)關(guān)系用一個圖來表示。如圖3.1. 3。 關(guān)于HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板就介紹這么多。驅(qū)動板與步進(jìn)電機(jī)、電腦的集成待介紹完Mach3軟件后說明。 3.1.2 Mach數(shù)控軟件介紹 Mach是美國Artsoft公司（http://www.machsupport.com/）開發(fā)的一款基于Windows系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控軟件[[]Mach3銑床使用說明書[R].科玲科技股份有限公司，2005 ]。Mach的應(yīng)用有很詳細(xì)的使用手冊，在這里僅簡單介紹Mac h需要的系統(tǒng)配置及其與外部設(shè)備通訊的實現(xiàn)。 目前Mach的最新版本是Mach3，這里的介紹全是基于Mach3的。Mach3軟件的操作完全符合Windows的風(fēng)格，有非常友好的操作界面，如圖3.1. 4。整個界面包括G代碼顯示、刀具軌跡顯示、主軸狀態(tài)顯示、進(jìn)給狀態(tài)顯示、刀具信息顯示、主要的控制按鈕這幾塊。值得一提的是，Mach軟件的界面允許用戶根據(jù)自己的需要自定義。 圖3.1. 4 Mach3軟件主界面 Mach3對電腦軟硬件的要求： a) 1GHZ以上的處理器。 b) 1024×768像素顯示器。 c) Windows XP或Windows 2000操作系統(tǒng)。 Mach3通過25針打印機(jī)并口與外部設(shè)備實現(xiàn)通訊。打印機(jī)并口有12位的數(shù)據(jù)輸出通路；引腳分別為1~ 9、14、16、17；有5位的數(shù)據(jù)輸入通路；引腳分別為：10~ 13、14；引腳18~ 25定義接地。MACH3軟件對雕刻機(jī)的控制信號全部是通過這12個輸出引腳和5個輸入引腳控制。MACH3軟件沒有標(biāo)準(zhǔn)的控制接口定義，可過Mach3的軟硬件接口界面設(shè)置[[]王黨利.祁立軍.寧生科.基于MACH軟件三維雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國科技核心期刊，2010，29(1)：77-80. ]。 3.1.3 HY-TB3DV-M驅(qū)動板與Mach3軟件的通訊 我們已經(jīng)知道驅(qū)動板各個引腳的功能了，要實現(xiàn)與Mach3的通訊還要對Mach3做相關(guān)的設(shè)置，必須把Mach3各并口引腳的功能與驅(qū)動板各并口引腳的功能對應(yīng)起來。 根據(jù)表3- 1我們下面對Mach3軟件的并口各個針腳的功能進(jìn)行定義。 打開Mach3軟件，依次單擊菜單欄設(shè)置—>端口/針腳—>電機(jī)輸出，將會出現(xiàn)如界面。Enabled—是否使用使能針腳控制；Step Pin#—步進(jìn)脈沖輸出針腳；Dir Pin#—步進(jìn)方向控制針腳。根據(jù)表3- 1的定義，把X、Y、Z軸各自電機(jī)的控制針腳設(shè)置成如圖3.1. 5。 圖3.1. 5 電機(jī)輸出針腳設(shè)置 因在圖3.1. 5中設(shè)置了使能控制，我們還需要設(shè)置各個軸的使能控制引腳。在剛才設(shè)置的窗口上單擊“輸出信號”標(biāo)簽。按圖3.1. 6設(shè)置使能和輸出控制針腳。其中output #1設(shè)置的是主軸啟?？刂贫丝?，用于控制接口板上的一個繼電器。 這里補(bǔ)充一下主軸控制的一點知識。Mach3能夠通過三種不同的方式控制主軸。 1) 用繼電器或電流接觸器控制電機(jī)的啟停。 2) 通過分步或直接脈沖控制電機(jī)（電機(jī)必須為伺服電機(jī)）。 3) 通過PWM脈沖可調(diào)信號控制直流電機(jī)。 HY-TB3DV-M驅(qū)動板采用的是最簡單的繼電器控制。所以在設(shè)置的時候只用了一個針腳，通過設(shè)置該針腳的電平來控制繼電器的開關(guān)。圖3.1. 6 輸出信號針腳設(shè)置 以上設(shè)置僅玩成了驅(qū)動板與Mach3軟件并口針腳的對應(yīng)關(guān)系。要實現(xiàn)通訊還必須設(shè)置Mach3軟件與外部通訊用的并口的地址。在剛剛的窗口中單擊“端口設(shè)置和軸向選擇”標(biāo)簽。如圖3.1. 7中“端口 #1”和“端口 #2”前面有一個小方框，要使用哪一個端口就勾選哪一個。注意到有一個端口地址輸入框，這個需要根據(jù)自己電腦的定義設(shè)置。 并口地址查詢方法比較簡單。進(jìn)入電腦的設(shè)備管理器，找到打印機(jī)并口，右鍵單擊查看屬性，在“資源”標(biāo)簽下就可查看到。這里不再詳細(xì)敘述。 圖3.1. 7 并口地址設(shè)置 完成設(shè)置后，用并口線把電腦的并口和驅(qū)動板的并口連接起來就完成了Mach3與驅(qū)動板的通訊。 接下來要做的是把驅(qū)動板和步進(jìn)電機(jī)聯(lián)系起來。步進(jìn)電機(jī)的接線比較簡單，只要知道步進(jìn)電機(jī)每根線的定義即可。拿四線電機(jī)來說，把A+、A-、B+、B-與四根線分別對應(yīng)起來就好了，然后根據(jù)表3- 4的定義正確連線就完成連接。對于六線、八線的步進(jìn)電機(jī)可以按照圖3.1. 8的方法把他們轉(zhuǎn)變?yōu)樗木€電機(jī)，然后按四線電機(jī)的接法連接。五線電機(jī)跟六線電機(jī)的原理可以看成是一樣的，只是五線電機(jī)把圖中的公共端NC連在了一起。 圖3.1. 8 四線、六線、八線步進(jìn)電機(jī)的連線 由于驅(qū)動板無法對主軸電機(jī)調(diào)速，而驅(qū)動板本身供應(yīng)的電壓過低（12V），無法滿足電主軸的轉(zhuǎn)速要求。為此單獨購買了電主軸的控制電源。連線很簡單，分清+、-、GND就ok。 圖3.1. 9 急停開關(guān)針腳設(shè)置 剩下的工作還有急停開關(guān)、限位開關(guān)和外部手控設(shè)備的接線。因雕刻機(jī)機(jī)械本體自帶機(jī)械手輪，可自由控制各軸的移動。為了節(jié)約成本我們不使用手控設(shè)備。其他兩個開關(guān)也對整個機(jī)器的運(yùn)作沒有太大影響?？紤]到雕刻機(jī)各軸移動速度不快，限位開關(guān)的安裝還比較麻煩，在樣機(jī)試制時放棄使用限位開關(guān)。急停開關(guān)對于意外事故很重要，必須安裝。連線很簡單，請參考圖3.1. 10。連好線后還得在Mach3軟件中進(jìn)行設(shè)置。進(jìn)入“端口/針腳”設(shè)置窗口，在輸入信號標(biāo)簽下，按圖3.1. 9設(shè)置。 至此整個系統(tǒng)的連線工作完成，連線示意如圖3.1. 10。 圖3.1. 10 系統(tǒng)接線示意圖 3.2 步進(jìn)電機(jī)調(diào)試 上一節(jié)我們完成了系統(tǒng)的集成。在這一節(jié)我們需要根據(jù)購買的步進(jìn)電機(jī)及在結(jié)構(gòu)設(shè)計中選用的滾珠絲杠，進(jìn)行Mach3軟件的設(shè)置工作。包括計算步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量、調(diào)節(jié)移動部件的最高移動速度和加速度，并通過調(diào)試選擇最合適的細(xì)分設(shè)置。 調(diào)試之前先明確已知的一些參數(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的結(jié)果，我們在淘寶上買了3個二手的42步進(jìn)電機(jī)（型號：17PM-M007-02）。因為是二手的，沒有說明書。主要的參數(shù)如下：步距角θ=1.8°；靜轉(zhuǎn)矩Fj=0.34N·m。另外滾珠絲杠的導(dǎo)程為P=5mm。 步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直接用彈性聯(lián)軸器連接，所以傳動比為i=1。 我們先看看電機(jī)調(diào)試的界面，了解需要設(shè)置的幾個參數(shù)。圖3.1. 11的紅色方框部分為我們需要設(shè)置的項目。下面對每個參數(shù)做簡要的解釋。 1) Steps Per：絲桿螺母移動1mm、需要向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送的脈沖數(shù)。與脈沖當(dāng)量有關(guān)。 2) 速度（mm/min）：絲桿螺母每分鐘最高的移動速度。速度越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)的扭矩越小。 3) 加速度（mm/s2）：電機(jī)由靜止到達(dá)到最高速度，由最高速度到靜止下來的加速度，決定電機(jī)勻速運(yùn)動的時間。也決定了移動部件對絲杠的沖擊力。 4) 步進(jìn)脈沖：用于設(shè)置最小脈寬，一般不需要設(shè)置。如果外部設(shè)備無法識別脈寬太小的脈沖時，才需要設(shè)置。 5) 方向脈沖：用于設(shè)置方向脈沖的換向時間。一般也不設(shè)置。 圖3.1. 11 電機(jī)調(diào)試界面 經(jīng)過一番解釋，發(fā)現(xiàn)電機(jī)調(diào)試需要計算的參數(shù)只有“Steps Per”。速度和加速度是直接設(shè)定的，需要通過調(diào)試選擇合適的數(shù)值。下面先計算“Steps Per”，其本質(zhì)就是步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量γ。步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量： 速度和加速度這兩個參數(shù)我們是通過調(diào)試、試驗獲得的。因工具有限，試驗條件差，下面簡單介紹調(diào)試的思想。加速度的確定是這樣的，首先憑感覺給定了一個加速度值，觀察部件的加減速情況。然后根據(jù)運(yùn)動情況調(diào)整。直至加減速的時候沒有明顯的延時也不會過沖就ok。速度的調(diào)整主要考慮了電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系。首先給定一個初速度，然后按一常量增速，直至電機(jī)無法驅(qū)動部件為止。接著調(diào)整細(xì)分和衰減設(shè)置，調(diào)整后若能移動部件，則繼續(xù)增速，否則不做調(diào)整。最后獲得一個細(xì)分和衰減設(shè)置，并把電機(jī)速度調(diào)低，使電機(jī)的驅(qū)動力有一定的剩余，用于切削加工。 3.3 接口板的設(shè)計與制作 本節(jié)將簡單介紹Proteus電子設(shè)計自動化軟件，并詳細(xì)展示用Proteus設(shè)計接口板的過程。接著介紹如何使用用感光藍(lán)油自制接口板。 3.3.1 Proteus簡介 Proteus是英國Labcenter Electronic公司研發(fā)的包含單片機(jī)/嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)仿真獨特功能的電子設(shè)計自動化系統(tǒng)。主要由ISIS電路設(shè)計與仿真平臺、ProSPICE模數(shù)混合仿真器、VSM單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)協(xié)同仿真和ARES PCB設(shè)計構(gòu)成。它真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整的工程設(shè)計過程[[]周靈彬.任開杰.基于Proteus的電路與PCB設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010. ]。 本文主要應(yīng)用了ISIS、VSM和ARES PCB模塊。Proteus有非常豐富的元件庫和封裝庫，目前元件模型超過5萬，元件封裝接近5千。為ISIS電路設(shè)計和ARES PCB設(shè)計提供了很大的便利，同時也大大提高設(shè)計的效率。 ISIS功能強(qiáng)大、操作簡單。只要把元器件擺放好后點擊接頭連線即可完成電路原理圖的設(shè)計。ISIS設(shè)計界面如圖3.3. 1所示。 圖3.3. 1 ISIS電路設(shè)計界面 這個看似簡單的界面還支持VSM電路仿真。在設(shè)計初期，選用具有仿真功能的元器件，在完成所有連線，確認(rèn)無誤后，直接運(yùn)行仿真按鈕，即可實現(xiàn)聲、光、動等逼真的效果。非常直觀地檢驗電路硬件和軟件設(shè)計的對錯。 VSM的整個電路分析模塊是ISIS模塊延續(xù)下來的，原理圖中可以包含很多的實用的仿真工具： a) 探針：用于采集電路中的電壓/電流信號。 b) 電路激勵：系統(tǒng)的多種激勵信號。包括正弦、鋸齒波、脈沖等。 c) 虛擬儀器：用于觀測電路的運(yùn)行狀況，以波形的方式顯示電壓/電流信號。 d) 曲線圖表：用于分析電路的參數(shù)指標(biāo)。 這些工具大大擴(kuò)展了電路仿真的功能，增強(qiáng)了仿真的真實性和意義。ARES PCB模塊的功能同樣非常強(qiáng)大，是基于高性能網(wǎng)表的設(shè)計系統(tǒng)。其特點是： a) 基于“形狀”的自動布線，有效提高布線效率和布通率。 b) 采用沖突減少運(yùn)算法則，提供多路徑基于成本沖突減少運(yùn)算法則的，適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)自然流的布線方案。 c) 擁有高級自動布線系統(tǒng)，包括全自動布線、腳本化布線、交互式布線等模式。同時支持手工布線。 d) 自動生成飛線和力向量，為元件布局提供指導(dǎo)。允許自由拖放飛線實現(xiàn)引腳交換、門交換。 e) 有連通檢查CRC和實時的設(shè)計規(guī)則檢查DRC系統(tǒng)。減少布線錯誤率。 f) 支持多種PCB輸出格式，方便生產(chǎn)制作。 ARES PCB的界面如圖3.3. 2所示。 圖3.3. 2 ARES PCB設(shè)計界面 3.3.2 原理圖與PCB的設(shè)計及接口板制作 接口板原理圖設(shè)計 前面的章節(jié)中，已經(jīng)介紹了打印機(jī)并口的特性。這節(jié)將根據(jù)這些特性來設(shè)計接口板。接口板在整個系統(tǒng)中的主要作用是允許電腦給驅(qū)動器等外部設(shè)備發(fā)送或接收信號。板子比較簡單，本質(zhì)就是把打印機(jī)并口的每個引腳根據(jù)外部接線的便利性分配到不同的排針上。為了增強(qiáng)輸入輸出引腳的驅(qū)動能力，每個引腳都配備了一個4.7k歐的電阻[[]何立民.單片機(jī)高級教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000. ]。 接口板的元器件清單如表3- 8。 表3- 8 接口板原理圖元器件清單 Category Quantity Reference Value Resistors 17 R1-R17 4.7k Miscellaneous 1 J1 CONN-D25M Miscellaneous 1 J2 CONN-SIL18 Miscellaneous 5 J3-J7 CONN-SIL2 繪制完成的原理圖如圖3.3. 3所示。 圖3.3. 3 接口板原理圖 簡單介紹這個接口板。4.7k歐的電阻與5V電源串聯(lián)，能增強(qiáng)各個輸出輸入引腳的驅(qū)動能力。另外還能在一定范圍內(nèi)保護(hù)接口板電路和并口。J2排針的1~17號引腳分別與并口的1~17號引腳連接；J7的Pin1接5V電源，Pin2接地；J3、J4、J5、J6的Pin2都接地，Pin1分別與并口的10~13引腳連接。之所以把這10~13引腳單獨連接出來，是為了方便連接限位和急停開關(guān)。 PCB圖的生成 PCB圖的生成要求每個元件都需要有PCB封裝。在原理圖設(shè)計的時候就注意了這一點，都選擇了有合適封裝的元件。這樣在制作PCB圖的時候就很方便了，可直接把原理圖中的網(wǎng)表導(dǎo)入到ARES中。使用快捷鍵“Alt+A”即可導(dǎo)入網(wǎng)表，并打開ARES平臺。 圖3.3. 4 手工布置元器件后的效果圖 圖3.3. 5 完成布線的PCB圖 在ARES平臺首先在“Board Edge”層繪制電路板的概略大小，然后在“Keep out”層繪制布線區(qū)域，接著手工布置元器件。元器件布置完成后的PCB如圖3.3. 4所示。此時圖中還有很多的飛線。元件布置完畢，單擊“Tools”菜單下的“Auto Router”，軟件將會自動完成布線。第一次自動布線出來的效果可能不好，多自動布置幾次，如果還不行可嘗試調(diào)整元件的位置。布線完成后必須檢查是否有DRC或CRC錯誤，軟件自帶檢查功能，。最終布完線的效果如圖3.3. 5。 為了確保每個元器件都能焊在板子上，空間上不會相互干涉。在打印PCB圖前有必要看看其三維效果圖。如圖3.3. 6所示。 圖3.3. 6 接口板三維圖 一切都檢查完畢、無誤，根據(jù)感光藍(lán)油制作PCB的要求打印PCB圖。首先把PCB圖以負(fù)片的樣式打印為PDF文件。因Proteus7.10不支持負(fù)片打印，所以在打印前需要做簡單的設(shè)置。把布線層和焊盤層改為白色。然后單擊“Output”è“Print”，彈出打印窗口，按圖3.3. 7設(shè)置。 圖3.3. 7 打印設(shè)置窗口 圖3.3. 8 PCB負(fù)片 單擊“ok”完成打印，效果如圖3.3. 8。 接口板的制作 為了方便制作，我們事先把所需要的工具和材料都準(zhǔn)備好。制作PCB板的材料清單如下： 激光打印機(jī)：1臺。 PCB菲林膠片：1張。 畫筆：1支。 感光藍(lán)油：100ml。 感光油墨稀釋劑：50ml。 覆銅板：70×100×1.6mm 一塊。 取暖器：1個。 亞克力板：100×100×3mm一塊。 顯影劑：20g。 過硫酸銨：1kg。 脫模劑：20g。 小型鉆床：1臺。 鉆頭：Φ0.6、Φ3.0各一支。 下面一步步介紹我們制作的過程。 圖3.3. 9 1) 打印負(fù)片：把PCB負(fù)片按1:1的比例用激光打印機(jī)打印到菲林膠片上。 2) 涂感光藍(lán)油：用畫筆在覆銅板上涂覆均勻的感光藍(lán)油，然后使用取暖器烘干表面的藍(lán)油。此步驟在紫外線很弱的室內(nèi)完成。晾干后的覆銅板如圖3.3. 9。 圖3.3. 10 3) 曝光：把PCB負(fù)片剪成覆銅板大小，放在晾干的藍(lán)油上；再用亞克力板壓緊，確保膠片與藍(lán)油貼緊；最后在陽光下照射30s。 4) 顯影：把曝光后的覆銅板放入到配置好的顯影劑中，用畫筆輕刷，一會就得到印制了電路圖的覆銅板。